(57)【要約】  本発明の一実施例によるベアリング鋼は、炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む。
2019526702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む、ベアリング鋼。
【請求項２】
前記ベアリング鋼は、基材及び前記基材表面に形成された硬化層を含み、前記基材は、フェライト及びパーライト組織を含み、前記硬化層は、マルテンサイト組織を含む、請求項１に記載のベアリング鋼。
【請求項３】
前記基材には、平均直径が２２．５〜３１．８μｍのオーステナイト結晶粒が形成される、請求項２に記載のベアリング鋼。
【請求項４】
前記硬化層には、平均直径が５μｍ以下のオーステナイト結晶粒が形成される、請求項２に記載のベアリング鋼。
【請求項５】
炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む鋼を連続鋳造して圧延する段階；
前記圧延された鋼を熱間鍛造する段階；
前記熱間鍛造された鋼を高周波クエンチング及びテンパリングする段階
を含む、ベアリング鋼の製造方法。
【請求項６】
前記熱間鍛造する段階において、熱間鍛造する温度は、１，１５０〜１，２５０℃である、 請求項５に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項７】
前記熱間鍛造する段階以後、ノーマライジングする段階または調質処理する段階をさらに含む、請求項５に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項８】
前記ノーマライジングする段階において、ノーマライジングする温度は、８８０〜９１０℃である、請求項７に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項９】
前記調質処理する段階は、８５０〜８８０℃でクエンチングする段階及び５００〜６００℃でテンパリングする段階を含む、請求項７に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項１０】
前記高周波クエンチング及びテンパリングする段階において、高周波クエンチングの温度は、７５０〜１，０００℃である、請求項５に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項１１】
前記高周波クエンチング及びテンパリングする段階において、高周波クエンチングの温度は、７８０〜８５０℃である、請求項５に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項１２】
前記高周波クエンチング及びテンパリングする段階において、テンパリング温度は、１５０〜２００℃である、請求項５に記載のベアリング鋼の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜請求項４のいずれか１項によるベアリング鋼からなる、自動車用ホイールベアリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベアリング鋼及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用ホイールベアリングの外輪及びハブシャフト（ｈｕｂ  ｓｈａｆｔ）に適用される鋼材は、０．５５〜０．５９重量パーセント（以下、「ｗｔ％」という）の炭素（Ｃ）、０．１５〜０．３０ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）、０．７５〜０．９０ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）等を含むＳ５５Ｃ級の中炭素鋼である。このような中炭素鋼は、熱間鍛造後に高周波熱処理で表面硬化して軌道及び主要部分の耐摩耗性を確保し、剛性を強化して用いられている。また、外輪及びハブシャフトの軌道部は、高い面圧が繰り返し作用するため、優れた転がり接触疲労（ｒｏｌｌｉｎｇ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｆａｔｉｇｕｅ）寿命が要求される。
【０００３】
このような中炭素鋼基盤のベアリング鋼は、製造の際に高周波熱処理温度が高く、オーバーヒーティングによる結晶粒の粗大化、冷却不良などのクエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）不良が発生する確率が高い。また、最近の自動車エンジンの高馬力化及び自動車の重さの軽量化傾向に伴って自動車用ホイールベアリングのような駆動部品が用いられる環境が劣悪になり、駆動部品に要求される転がり接触疲労寿命及び疲労強度を含む耐久性を、従来の素材及び熱処理では満たせ難い状況である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前記のような問題を解決するためのものであって、中炭素鋼基盤にシリコン、バナジウム、アルミニウムなどの結晶粒の微細化合金元素を添加し、高周波熱処理により結晶粒を微細化させたベアリング鋼及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施例によるベアリング鋼は、炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む。
【０００６】
一実施例において、ベアリング鋼は、基材及び基材表面に形成された硬化層を含み、基材は、フェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）及びパーライト（ｐｅａｒｌｉｔｅ）組織を含み、硬化層は、マルテンサイト（ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）組織を含む。
【０００７】
一実施例において、基材には、平均直径が２２．５〜３１．８μｍのオーステナイト結晶粒が形成される。
【０００８】
一実施例において、硬化層には、平均直径が５μｍ以下のオーステナイト結晶粒が形成される。
【０００９】
本発明の一実施例によるベアリング鋼の製造方法は、炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む鋼を連続鋳造（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃａｓｔｉｎｇ）して圧延する段階；圧延された鋼を熱間鍛造する段階；及び熱間鍛造された鋼を高周波クエンチング及びテンパリングする段階を含む。
【００１０】
一実施例において、熱間鍛造する段階における熱間鍛造する温度は、１，１５０〜１，２５０℃であってもよい。
【００１１】
一実施例において、熱間鍛造する段階の後、ノーマライジング（ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ）する段階または調質処理（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ  ａｎｄ  ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ）する段階をさらに含んでもよい。
【００１２】
一実施例において、ノーマライジングする段階におけるノーマライジングする温度は、８８０〜９１０℃であってもよい。
【００１３】
一実施例において、調質処理する段階は、８５０〜８８０℃でクエンチングする段階及び５００〜６００℃でテンパリングする段階を含んでもよい。
【００１４】
一実施例において、高周波クエンチング及びテンパリングする段階における高周波クエンチングの温度は、７５０〜１，０００℃であってもよい。さらに具体的には、高周波クエンチングの温度は、７８０〜８５０℃であってもよい。
【００１５】
一実施例において、高周波クエンチング及びテンパリングする段階におけるテンパリング温度は、１５０〜２００℃であってもよい。
【００１６】
本発明の一実施例による自動車用ホイールベアリングは、前述のベアリング鋼からなる。
【００１７】
本発明の一実施例による自動車用ホイールベアリングは、前述のベアリング鋼の製造方法によって製造されたベアリング鋼からなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の実施例によると、中炭素鋼基盤に結晶粒微細化元素を添加し、低温で熱処理をすることで、表面に微細なオーステナイト結晶粒が硬化層に形成されたベアリング鋼を提供することができ、このようなベアリング鋼を用いて自動車用ホイールベアリングを製造することにより、耐久性が向上した自動車用ホイールベアリングを提供することができる。
【００１９】
また、本発明の実施例によると、結晶粒を微細化させて靭性（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）が向上したベアリング鋼を提供することができ、このようなベアリング鋼を用いてクラックの発生が減り、寿命が向上した自動車用ホイールベアリングを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１によるベアリング鋼における硬化層の微細組織を示す光学顕微鏡微細組織の写真である。
【図２】比較例１によるベアリング鋼における硬化層の微細組織を示す光学顕微鏡微細組織の写真である。
【図３】本発明の一実施例によるベアリング鋼を用いたホイールベアリングの一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の利点と特徴、及びそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され得、ただし、本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。明細書全体に亘り、同一の参照符号は同一の構成要素を指す。
【００２２】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例によるベアリング鋼及びその製造方法について説明する。参考までに、本発明を説明するにおいて、関連する公知機能あるいは構成に関する具体的な説明が、本発明の要旨を不要に分かりにくくすることがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
【００２３】
発明の一実施例によるベアリング鋼は、炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む。
【００２４】
炭素（Ｃ）の量は、０．５１ｗｔ％〜０．５６ｗｔ％である。鋼中に含まれる炭素（Ｃ）は、強度、硬度を決める主元素であって、高周波熱処理後に自動車用ホイールベアリングに要求される表面硬度７００ＨＶ以上を確保するためには、少なくとも０．５１ｗｔ％以上が添加されなければならない。あまりにも多く添加されると、鋼の硬度が高くなって鍛造性、切削性が低下するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００２５】
シリコン（Ｓｉ）の量は、０．３０ｗｔ％〜０．５５ｗｔ％である。シリコン（Ｓｉ）は、基地に固溶されて、粒界強化、高周波熱処理時にオーステナイトの核生成サイト（ｓｉｔｅ）の増加及びオーステナイト結晶粒の成長を抑制して高周波硬化層の結晶粒を微細化させる役割をする。本発明の一実施例では、オーステナイト結晶粒の微細化のために添加し、０．３０ｗｔ％未満で添加されると十分な疲労強度の確保及び結晶粒の微細化の効果を得ることができず、あまりにも多く添加されると、鋼の硬度が高くなって鍛造性、切削性が低下するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００２６】
マンガン（Ｍｎ）の量は、０．６０ｗｔ％〜０．９０ｗｔ％である。マンガン（Ｍｎ）は、鋼の焼き入れ性と強度を向上させる元素であって、硫黄（Ｓ）と結合して硫化マンガン（ＭｎＳ）が形成され得、これにより切削性が向上し、あまりにも多く添加されると、鋼の硬度が高くなって鍛造性、切削性が低下するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００２７】
リン（Ｐ）の量は、０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。リン（Ｐ）は、鋼中に含まれる不可避的不純物であって、鋼中に極めて脆弱なリン化鉄（Ｆｅ３Ｐ）の形態で結晶粒界（例えば、オーステナイト結晶粒界）に偏析されて、粒界強度、疲労強度、衝撃抵抗及び転がり接触疲労寿命を低下させ得る。また、焼き入れ時の割れを助長するため、できるだけ少なく含まれることが好ましい。従って、リン（Ｐ）の含有量は、前述の範囲に制限される。
【００２８】
硫黄（Ｓ）の量は、０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。硫黄（Ｓ）は、鋼中に含まれる不可避的不純物であって、鋼中でマンガン（Ｍｎ）と結合して硫化マンガン（ＭｎＳ）が形成され得るので切削性が向上するものの、その含有量が多いと、結晶粒界に偏析されて、粒界強度、熱間加工性が阻害されるため、できるだけ少なく含まれることが好ましく、硫黄（Ｓ）の含有量は、前述の範囲に制限される。
【００２９】
クロム（Ｃｒ）の量は、０．０１ｗｔ％〜０．２０ｗｔ％である。クロム（Ｃｒ）は、焼き入れ性及び硬化層の十分な厚さを確保して疲労強度を向上させ、炭化物を形成して衝撃抵抗性を向上させる。しかし、その含有量があまりにも少ないと、十分な硬化層の確保が難しく、あまりにも多いと、残留炭化物の生成を助長し、粒界強度を低下させるため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３０】
モリブデン（Ｍｏ）の量は、０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。モリブデン（Ｍｏ）は、鋼中に含まれる不可避的元素であって、高周波焼き入れ後に硬化層の硬度を向上させることができる。しかし、その含有量があまりにも多いと、硬度上昇の効果は飽和し、製造単価が上昇するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３１】
ニッケル（Ｎｉ）の量は、０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。好ましくは、ニッケル（Ｎｉ）の量は、０．０４ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。ニッケル（Ｎｉ）は、高周波焼き入れ性の向上、炭化物の成長を抑制して粒界強度の低下を防止し、疲労強度を向上させることができる。しかし、多量で添加すると、加工性の劣化、疲労強度及び製造単価が上昇するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３２】
バナジウム（Ｖ）の量は、０．０１ｗｔ％〜０．２０ｗｔ％である。一実施例によると、バナジウム（Ｖ）は、鋼材の結晶粒を微細化するために添加される元素であって、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）と結合して微細炭窒化物が形成され得、結晶粒が微細化され、オーステナイト結晶粒の粗大化温度が高くなり、疲労強度及び靭性が向上する。また、高周波焼き入れ性の向上、テンパー軟化抵抗性が向上して高温強度が改善される。０．０１ｗｔ％未満ではその効果が小さく、０．２０ｗｔ％を超過して添加されるとその効果が飽和し、強度が増加するものの靭性が低下し、製造単価が上昇するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３３】
銅（Ｃｕ）の量は、０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。好ましくは、銅（Ｃｕ）の量は、０．０８６ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。銅（Ｃｕ）は、製鋼時に鉄鉱石、スクラップまたは製造環境から混入される元素であって、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）のように高周波焼き入れ性を向上させるものの、あまりにも多く添加されると、熱間加工時に割れの発生及び鋼の疲労強度を低下させる。従って、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３４】
チタン（Ｔｉ）の量は、０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。チタン（Ｔｉ）は、鋼中に含まれる不可避的元素であって、鋼中に含まれる炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）と結合して炭化物及び炭窒化物である窒化チタン（ＴｉＮ）と炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）が形成され得、転がり接触疲労の破壊の基点となって疲労寿命が阻害されるため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３５】
アルミニウム（Ａｌ）の量は、０．０１ｗｔ％〜０．０５ｗｔ％である。アルミニウム（Ａｌ）は、製鋼時に脱酸剤として添加される合金成分であって、結晶粒微細化元素として高周波熱処理時にオーステナイト結晶粒の成長を抑制するため、高周波硬化層の結晶粒を微細化させる。アルミニウム（Ａｌ）があまりにも少ないとその効果が現れず、あまりにも多いと、高周波焼き入れ性の低下及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）非金属介在物が形成されて鋼の疲労寿命の低下がもたらされるため、その含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３６】
酸素（Ｏ）の量は、０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。酸素（Ｏ）は、鋼中に含まれる不可避的不純物であって、転がり接触疲労破壊の基点となるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化物系非金属介在物を形成させる有害な元素である。従って、酸素（Ｏ）の含有量ができるだけ低いのが好ましい。最近、自動車用ホイールベアリングは高い耐久性が要求されるため、鋼中に含まれる酸素（Ｏ）の含有量は、前述の範囲に制限される。
【００３７】
カルシウム（Ｃａ）の量は、０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）である。カルシウム（Ｃａ）は、鋼中に含まれる不可避的元素であって、カルシウム（Ｃａ）の含有量があまりにも多いと、粗大な酸化物が形成されて転がり接触疲労寿命が低下するため、その含有量は、前述の範囲に制限される。また、自動車用ホイールベアリング鋼では、カルシウム（Ｃａ）が脱酸剤として添加されてはならない。
【００３８】
前述の元素を除くベアリング鋼の残りは、鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物からなる。
【００３９】
本発明の一実施例によるベアリング鋼は、中炭素鋼基盤に結晶粒微細化元素を添加し、低温で熱処理をすることで、表面に微細なオーステナイト結晶粒を有する硬化層が形成される。これにより、ベアリング鋼は、基材及び基材表面に形成された硬化層を含むことができる。このとき、基材は、フェライト及びパーライト組織を含み、硬化層は、マルテンサイト組織を含む。基材及び硬化層の組成成分は、前述のベアリング鋼全体の成分と同一であってもよい。
【００４０】
基材は、フェライト及びパーライト組織を含み、具体的には、フェライトの体積分率は３〜１５％であってもよい。このとき、オーステナイト結晶粒の平均直径は２２．５〜３１．８μｍであり得る。
【００４１】
硬化層は、基材とは異なり、マルテンサイト組織を含む。本発明の一実施例では、低温で高周波クエンチングする工程を通じて微細なオーステナイト結晶粒を有する硬化層を形成させて、転がり接触疲労寿命などの耐久性を向上させ得るようになる。このとき、具体的には、硬化層に形成されたオーステナイト結晶粒は、５μｍ以下の平均オーステナイト結晶粒径を有し得る。さらに具体的には、硬化層に形成されたオーステナイト結晶粒は、０．１〜５μｍの平均オーステナイト結晶粒径を有し得る。
【００４２】
本発明の一実施例では、オーステナイト結晶粒の平均サイズ（結晶粒度）が微細に制御されることにより、ベアリング鋼の転がり接触疲労寿命が向上することができる。
【００４３】
硬化層の厚さは、自動車ホイールベアリングの外輪の厚さに対して２５〜６５％であってもよく、ハブの厚さに対して１５〜２５％であってもよい。前述の範囲の硬化層の厚さが提供されることにより、ベアリング鋼の転がり接触疲労寿命が向上することができる。
【００４４】
本発明の一実施例による自動車用ホイールベアリングは、前述のベアリング鋼からなり得る。
【００４５】
本発明の一実施例によるベアリング鋼の製造方法は、炭素（Ｃ）：０．５１〜０．５６ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）：０．３０〜０．５５ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）：０．６０〜０．９０ｗｔ％、リン（Ｐ）：０．０２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、硫黄（Ｓ）：０．００８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、クロム（Ｃｒ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）：０．０８ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、ニッケル（Ｎｉ）：０．２５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、バナジウム（Ｖ）：０．０１〜０．２０ｗｔ％、銅（Ｃｕ）：０．２０ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、チタン（Ｔｉ）：０．００３ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１〜０．０５ｗｔ％、酸素（Ｏ）：０．００１５ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、カルシウム（Ｃａ）：０．００１ｗｔ％以下（０ｗｔ％を除く）、残部の鉄（Ｆｅ）及びその他の不可避的不純物を含む鋼を連続鋳造して圧延する段階、圧延された鋼を熱間鍛造する段階及び熱間鍛造された鋼を高周波クエンチング及びテンパリングする段階を含む。
【００４６】
一実施例のベアリング鋼を製造する方法として、まず、鋼を連続鋳造して圧延する段階が実施される。鋼の成分に関する説明は前述したため、反復される説明は省略する。連続鋳造及び圧延と関連しても一般的な連続鋳造及び圧延工程に従うため、詳細な説明は省略する。
【００４７】
次に、圧延された鋼を熱間鍛造する段階が実施される。
【００４８】
熱間鍛造する段階では、製品形状により１，１５０〜１，２５０℃の温度で熱間鍛造が実施され得る。
【００４９】
また、熱間鍛造する段階以後、必要に応じてノーマライジングまたは調質処理をする段階が実施され得る。
【００５０】
ノーマライジングする段階では、８８０〜９１０℃の温度でノーマライジングが実施され得る。
【００５１】
調質処理する段階は、８５０〜８８０℃でクエンチングする段階及び５００〜６００℃でテンパリングする段階を含むことができる。テンパリングする段階では、好ましくは５００〜５５０℃の温度範囲でテンパリングが実施され得る。
【００５２】
次に、熱間鍛造された鋼を高周波クエンチング及びテンパリングする段階が実施される。高周波クエンチングは、自動車用ホイールベアリングの軌道部を含む主要部位の転がり接触疲労寿命、耐摩耗性及び強度を確保するために実施される。一実施例によると、高周波クエンチング時の加熱温度は、７５０℃〜１，０００℃であってもよい。好ましくは、高周波クエンチング段階における加熱温度は、７８０℃〜８５０℃であってもよい。高周波クエンチング時の加熱温度があまりにも低いと、鋼のオーステナイト化がなされず、これによる不完全変態によりフェライトの残留、硬度及び硬化深さの不足が引き起こされて、転がり接触疲労寿命が確保され得ない問題が発生することがある。高周波クエンチング時の加熱温度があまりにも高いと、オーステナイト結晶粒の粗大化及び過度な残留オステナイトにより、自動車用ホイールベアリングの転がり接触疲労寿命に否定的な影響を及ぼすようになる。高周波クエンチング時の冷却完了温度は１００℃以下であってもよく、冷却速度は７００〜７５０℃／ｓｅｃであってもよい。高周波クエンチングは、高周波誘導加熱によりクエンチングが行われることを意味する。
【００５３】
次に、１５０〜２００℃でテンパリングする段階が実施され得る。テンパリングは、高周波テンパリングまたは炉テンパリングを含んでもよい。
【００５４】
このように本発明の一実施例による一連の工程を通じて、基材及び基材表面に硬化層が形成される。基材及び硬化層の組織に関する説明は、前述のものと同一であるため、重複する説明を省略する。
【００５５】
一実施例によるベアリング鋼を用いたベアリング部品（例えば、ハブまたは外輪）の製造時、連続鋳造と圧延段階を経てベアリング部品の形態が整った後に熱間鍛造する段階、高周波クエンチング及びテンパリングする段階が実施され得る。しかし、一実施例のベアリング鋼を用いたベアリング部品の製造方法は、これに限定されるものではない。
【００５６】
一実施例によるベアリング鋼を用いたベアリング部品（例えば、ハブまたは外輪）の製造時、連続鋳造と圧延段階を経てベアリング部品の形態に整えるために熱間鍛造する段階、高周波クエンチング及びテンパリングする段階が実施。しかし、一実施例のベアリング鋼を用いたベアリング部品の製造方法は、これに限定されるものではない。
【００５７】
図３は、本発明の一実施例によるベアリング鋼を用いたホイールベアリングの一例を概略的に示した図である。図３に示されたホイールベアリング（１）は、説明の便宜のために、多様な種類のホイールベアリングのうち１つを例示したものであり、本発明の技術的思想は、一例に例示されたホイールベアリング（１）に限定されて適用されず、多様な種類のベアリングに適用され得る。即ち、一実施例によるベアリング鋼は、例示されたホイールベアリング（１）に限定されて用いられるものではなく、多様な種類のベアリングに用いられ得る。
【００５８】
一方、説明の便宜上、ホイールベアリングを構成する全ての構成要素において、ホイール（図示せず）に近い側をアウトボード（ｏｕｔｂｏａｒｄ）と称し、ホイールから遠い側をインボード（ｉｎｂｏａｒｄ）と称することにする。
【００５９】
図３に示すように、本発明の一実施例によるホイールベアリング（１）は、ハブ（２）、内輪（３）、外輪（４）、及び複数の列の転動体（５ａ、５ｂ）を含む。一実施例では、複数の列の転動体（５ａ、５ｂ）が用いられたものが例示されたが、これに限定されない。転動体（５ａ、５ｂ）の列（ｒｏｗ）の数は、当業者が任意に定めることができる。通常、複数の列の転動体（５ａ、５ｂ）は、複数のプラスチック材質またはその他の材質で作られた第１及び第２リテーナに挟むことにより形成され得る。
【００６０】
ハブ（２）は、シリンダー状を有し、ハブ（２）のアウトボード端部には車両のホイールが結合される。このために、ハブ（２）のアウトボード端部には、半径外側に突出するハブフランジ（１０）と回転軸に沿ってアウトボード側に突出するパイロットが形成される。ハブフランジ（１０）には、ボルト孔が穿孔されており、車両のホイールがボルトなどの結合手段によりハブ（２）に結合され得、パイロットは、ハブ（２）にホイールが装着される時にホイールをガイドして支持する役割をする。また、ハブ（２）のインボード端部には、段差部（１２）が形成される。ハブ（２）の段差部（１２）とハブフランジ（１０）との間の外周面にはハブ軌道（２０ａ）が形成され、ハブフランジ（１０）とハブ軌道（２０ａ）との間にはフランジベース（２３）が形成される。
【００６１】
内輪（３）は、ハブ（２）の段差部（１２）に押し込まれ、内輪（３）の外周面には内輪軌道（２０ｂ）が形成される。
【００６２】
外輪（４）は、ハブ（２）の半径外側に装着されてハブ（２）と内輪（３）を包む。外輪（４）の半径内側面には、ハブ軌道（２０ａ）及び内輪軌道（２０ｂ）にそれぞれ対応する第１及び第２外輪軌道（２１ａ、２１ｂ）が形成され、半径外側面の一部は、半径外側に突出してフランジを形成する。このようなフランジには、ボルト孔（図示せず）が穿孔されており、ボルトなどの結合手段により外輪（４）が車体（特に、ナックル）に結合されることができる。
【００６３】
第１列の転動体（５ａ）は、ハブ軌道（２０ａ）と第１外輪軌道（２１ａ）との間に配置される。第２列の転動体（５ｂ）は、内輪軌道（２０ｂ）と第２外輪軌道（２１ｂ）との間に配置される。第１及び第２列の転動体（５ａ、５ｂ）は、ハブ（２）及び内輪（３）に対する外輪（４）の相対的な回転を可能にする。
【００６４】
また、ハブフランジ（１０）と外輪（４）のアウトボード端との間には、ホコリや水分などの異物が侵入することを防止するための第１シーリング部材（２４ａ）が装着され、外輪（４）のインボード端と内輪（３）の外周面との間には、ホコリや水分などの異物が侵入することを防止するための第２シーリング部材（２４ｂ）が装着される。第１及び第２シーリング部材（２４ａ、２４ｂ）は、同一のタイプのシーリング部材であってもよく、または異なるタイプのシーリング部材であってもよい。
【００６５】
一方、一実施例によるホイールベアリング（１）において、ハブ（２）と外輪（４）には硬化層（２２）が形成される。具体的には、ハブ（２）では、第１シーリング部材（２４ａ）のリップが接触することができ、外部の衝撃を主に吸収するフランジベース（２３）からハブ軌道（２０ａ）、内輪軌道（２０ｂ）を経て、段差部（１２）の軸方向延長部の少なくとも一部分までの区間全体が熱処理され得る。また、外輪（４）では、第１外輪軌道（２１ａ）から第２外輪軌道（２１ｂ）までの区間全体が熱処理され得る。硬化層（２２）は、高周波クエンチングなどの方法で形成され得、一定の厚さに形成されることもできる。
【００６６】
以下、本発明によるベアリング鋼の製造方法を、実施例を通じて詳細に説明することにする。
【００６７】
＜実験例１＞：鋼組成
【００６８】
表１及び表２は、本発明の一実施例によるベアリング鋼の基準鋼、及びこれに主要合金元素を添加して製造したベアリング鋼の成分を示した表である。また、図３は、本発明の一実施例によるベアリング鋼の基準鋼と比較鋼の機械的物性を示した表である。
【００６９】
下記の表１及び表２のような組成を有する鋼材を製造するために、１００トンの電気炉で溶解工程が行われ、その後、精錬及び真空脱ガス工程を経てブルーム（ｂｌｏｏｍ）、ビレット（ｂｉｌｌｅｔ）が製造される。また、このように製造された、例えば、ビレットは、連続鋳造工程を経て最終直径５５ｍｍ及び６５ｍｍを有する棒鋼に製造される。このような工程で製造された棒鋼の微細組織、機械的物性は、表３に示されている。比較鋼は、現在、常用鋼として用いているＳ５５Ｃ系ベアリング鋼を基準とした。表３に示すように、基準鋼（実施例１）は、比較鋼（比較例１）と比較してみると、同一の微細組織を有するものの、降伏強度、引張強度、伸び率及び回転曲げ疲労強度などの全ての機械的物性が大きく向上する。ここで、回転曲げ疲労強度を測定するための試片としては、ノーマライジング処理された試片が用いられた。
【００７０】
【表１】
2019526702.tif 000003
【００７１】
【表２】
2019526702.tif 000004
【００７２】
【表３】
2019526702.tif 000005
【００７３】
＜実験例２＞：高周波熱処理温度
【００７４】
基準鋼（実施例１）と比較鋼（比較例１）のそれぞれに対する直径１２ｍｍ、長さ１００ｍｍの丸棒試片を製作して高周波熱処理加熱温度によるベアリング鋼の硬化層に形成されるオーステナイト結晶粒径を測定し、その結果を下記の表４に示した。一実施例の基準鋼は、比較鋼に比べて全ての高周波熱処理加熱温度区間においてオーステナイト結晶粒径が微細に示され、特に、加熱温度８００℃以下の低温でオーステナイト結晶粒径の平均直径が５μｍ以下の微細なオーステナイト結晶粒を得ることができる。
【００７５】
【表４】
2019526702.tif 000006
【００７６】
また、実施例１の基準鋼及び比較例１の比較鋼を７８０℃の温度で高周波熱処理して形成されたオーステナイト結晶粒の微細組織を、図１及び図２にそれぞれ示した。図１に示すように、実施例１によって製造されたベアリング鋼の場合には、硬化層に微細なオーステナイト結晶粒組織が均一に形成されたことを確認することができる。一方、図２に示すように、比較例１によって製造されたベアリング鋼の場合には、硬化層に粗大なオーステナイト結晶粒組織が形成されたことを確認することができる。
【００７７】
＜実験例３＞：転がり接触疲労試験
【００７８】
基準鋼と比較鋼のそれぞれに対して転がり接触疲労試験を実施した。転がり接触疲労試験は、スラストタイプ（Ｔｈｒｕｓｔ  ｔｙｐｅ）の転がり接触疲労試験機を用いて実施した。転がり接触疲労試験に用いた試片は、外径６０ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ８ｍｍの円盤状を有し、表面硬化深さが３ｍｍになるように８００℃で高周波クエンチングされた後１６０℃でテンパリングされた。転がり接触疲労試験は、このような試片を用いて最大接触面圧（Ｃｏｎｔａｃｔ  ｓｔｒｅｓｓ）５．８ＧＰａ、回転速度１，５００ｒｐｍ、清浄潤滑条件で試片で剥離が発生するまで試験して回転数が測定され、ワイブル（Ｗｅｉｂｕｌｌ）分布で１０％破損確率を示すＬ１０寿命で評価された。
【００７９】
表５は、基準鋼（実施例１）と比較鋼（比較例１）に対する実験例２、３の実験結果であって、微細組織、硬化層のオーステナイト結晶粒の平均直径、硬化層の機械的物性及び硬化層の転がり接触疲労寿命を示す。
【００８０】
表５で見られるように、本発明の一実施例による組成を満たす実施例１は、硬化層のオーステナイト結晶粒の平均直径が５μｍ以下である条件を満たし、引張強度、伸び率、回転曲げ疲労寿命及び転がり接触疲労寿命などの面で優れた効果があることを確認することができる。
【００８１】
一方、本発明の一実施例による組成を満たせない比較例１は、オーステナイト結晶粒の平均直径が粗大に発生し、引張強度、伸び率、回転曲げ疲労寿命及び転がり接触疲労寿命などの面で劣悪なことを確認することができる。
【００８２】
【表５】
2019526702.tif 000007
【００８３】
＜実験例４＞：自動車ホイールベアリング耐久試験
【００８４】
３世代自動車ホイールベアリングにおける外輪とハブを実施例１と比較例１のベアリング鋼でそれぞれ製作して、ホイールベアリングにおける耐久寿命を比較評価した。
【００８５】
以下、ホイールベアリング製造工程を説明すると、外輪とハブはそれぞれ、直径５５ｍｍ、直径６５ｍｍの棒鋼を用いて１，２００℃で熱間鍛造された後にノーマライジング処理され、軌道部を含む主要部位がそれぞれ、約８００℃（実施例１）及び約９００℃（比較例１）で高周波熱処理された後にオービタルフォーミング（Ｏｒｂｉｔａｌ  ｆｏｒｍｉｎｇ）工程を経て最終的に製作される。
【００８６】
表６で見られるように、本発明の実施例１は、自動車ホイールベアリングに要求される耐久寿命（Ｓｅｒｖｉｃｅ  ｌｉｆｅ）、高荷重試験（Ｈｉｇｈ−ｌｏａｄ  ｔｅｓｔ）、衝撃試験（Ｃｕｒｂ  ｉｍｐａｃｔ  ｔｅｓｔ）等の全ての性能を満たし、特に、耐久寿命が比較例１より著しく優れた効果があることを確認することができる。
【００８７】
【表６】
2019526702.tif 000008
【００８８】
以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したものの、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施され得るということを理解できるであろう。
【００８９】
従って、以上で記述した実施例は、全ての面において例示的なものであり、限定的ではないものとして理解すべきである。本発明の範囲は、前述の詳細な説明よりは後述する請求の範囲により示され、請求の範囲の意味及び範囲、及びその均等概念から導き出される全ての変更または変更された形態が本発明の範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００９０】
１        ホイールベアリング
２        ハブ
３        内輪
４        外輪
５ａ      転動体
５ｂ      転動体
１０      ハブフランジ
１２      段差部
２０ａ    ハブ軌道
２０ｂ    内輪軌道
２１ａ    第１外輪軌道
２１ｂ    第２外輪軌道
２２      硬化層
２３      フランジベース
２４ａ    第１シーリング部材
２４ｂ    第２シーリング部材
【図１】
2019526702.tif 000009
【図２】
2019526702.tif 000010
【図３】
2019526702.tif 000011
【国際調査報告】
2019526702.tif 000012
2019526702.tif 000013
2019526702.tif 000014
2019526702.tif 000015